EP1167978A1 - Inertialsensor zur Lagerung und Kontrolle einer Inertialreferenz in einem Satelliten - Google Patents

Inertialsensor zur Lagerung und Kontrolle einer Inertialreferenz in einem Satelliten Download PDF

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EP1167978A1
EP1167978A1 EP01112524A EP01112524A EP1167978A1 EP 1167978 A1 EP1167978 A1 EP 1167978A1 EP 01112524 A EP01112524 A EP 01112524A EP 01112524 A EP01112524 A EP 01112524A EP 1167978 A1 EP1167978 A1 EP 1167978A1
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inertial sensor
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sensor according
measuring sections
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Astrium GmbH
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Definitions

  • the invention relates to an inertial sensor as an inertial reference for position and position determination of satellites and satellite parts according to the preamble of Claim 1.
  • a new generation of scientific space missions based in particular on high resolution optical instruments requires a very accurate Knowledge of the residual acceleration, the relative positions and location as well as position fluctuations of satellites and parts of satellites.
  • the associated degrees of freedom are caused by internal (e.g. shifting the center of gravity or changing the moment of inertia ) and external interference (e.g. solar wind or residual magnetic fields) negligible order of magnitude.
  • internal e.g. shifting the center of gravity or changing the moment of inertia
  • external interference e.g. solar wind or residual magnetic fields
  • Acceleration sensors which have a soft coupling with a Trial masses are used.
  • position and position determination come mainly high-resolution optical star sensors in the form of e.g. CCD cameras for use (e.g. Hubble telescope).
  • Inertial sensors have so far only been used as an inertial position reference. to Determining the position of satellites or parts of satellites becomes the position of a Sample mass measured relative to its satellite environment.
  • the position of the sample mass is usually determined capacitively and controlled by means of electrical fields.
  • the generally metallic sample mass is charged electrostatically.
  • the electrostatic charge and the induced charge polarization cause forces and moments (e.g. Lorentz force through movement in one external magnetic field or electric dipole moments), which the inertial movement of the Disrupt test mass.
  • No. 4,1740,904 describes an inertial sensor in which there is a sample mass is in a closed housing.
  • the housing shields the sample mass of disturbing external influences (e.g. radiation pressure from the sun, electrostatic Fields).
  • the test mass is used for position and position control Coils generated, controllable magnetic field exposed.
  • EP 0 569 994 A2 describes an inertial sensor in which there is a sample mass in an electrically and magnetically field-free, enclosed by a housing Room is located. To determine the location and position of the sample mass optical measuring sections available. Setting the location and position of the Trial mass takes place by means of low- or high-frequency sound waves, which from a Wave projector to be emitted. These sound waves are the movement of the sample mass directed against. The disadvantage of this arrangement is that it is expensive Setup and the imprecise measurement of the position and position of the sample mass.
  • the object of the invention is to provide an inertial sensor with which one improved and highly precise, insensitive to external interference Position and position determination of satellites and satellite parts is possible.
  • the optical measuring sections are optical interferometric Measuring sections are formed, using the optical interferometric Measurement sections on the sample mass exerted the position and position of the Trial mass is adjustable.
  • the sample mass can float inertially in the housing and thereby ideally only subject to the gravitational interaction or uniform with the housing around a common axis with the same nominal angular velocity rotate.
  • the housing surrounding the sample mass is thermally designed as a black body in an advantageous embodiment (for example by insulation). , In this way, any scattered light introduced into the housing through the optical measurement sections is uniformly thermalized (Ulbricht sphere).
  • the housing should be mechanically stabilized as it contains the reference elements and e.g. consist of a glass ceramic (Zerodur® or ULE®). In addition, that can The housing must be shielded against residual magnetic fields.
  • the housing-side reference elements are located on the inner surface of the housing for the relative determination of the position and position of the sample mass.
  • the inner surface of the housing can be coated with a conductive coating (e.g. gold plating) to eliminate electrostatic fields.
  • the housing can be evacuated or filled with gas.
  • the surface of the sample mass can be used as Reflector can be formed by e.g. is mirrored.
  • the surface of the sample mass optical reflector elements e.g. Mirror. These reflector elements can be planar or spherically centered. The surface the sample mass or the reflector elements applied to the surface form an end mirror of one of the optical interferometric measuring sections.
  • test mass is advantageously symmetrical and can be shaped e.g. cube, cuboid, tetrahedron, disk or spherical. Form depends on the requirements for compactness (minimization of residual interference elements) and according to the desired moments of inertia in the axes of rotation.
  • the optical is aligned to the sample mass interferometric measuring sections a light pressure in the order of 0.0035 ⁇ N / W applied to the sample mass.
  • these optical measurement sections aligned in such a way that the exerted on the sample mass by the individual optical measuring sections Mutually compensating for light prints.
  • the optical measuring sections are included advantageous to the mass center and the geometric center of the sample mass aligned.
  • resonator By suitable adaptation of the resonator in a preferred embodiment of the Method V3 enables the position and location of the sample mass to be finely controlled.
  • the Fine adjustment of the sample mass takes place through targeted excitation in the Longitudinal and transverse resonator modes forming resonators Exploitation of the resonance increase, which contributes to increased light pressure values lower laser light output (a few mW) leads.
  • Measurement of the resonator modes also allows the exact determination of the position and position of the sample mass.
  • the high selectivity of the resonator modes also proves to be advantageous as well as the high quality of the resonators.
  • the measuring method shown is an example of method V3 optical Fabry-Perot resonators with a laser interferometric measurement and Control arrangement according to the heterodyne method.
  • the sample mass 2 designed as an example, is from a housing 3 surrounded on which a shield 4, e.g. ⁇ metal, is applied, whereby electromagnetic fields are shielded.
  • a shield 4 e.g. ⁇ metal
  • the resonators 7 serve on the one hand as optical measuring sections 8 and on the other hand as compensation paths 9 to compensate for that exerted on the sample mass 2 Light pressure.
  • Piezo actuator or electro-optical elements 10 for tuning the resonators 7.
  • the laser interferometric measurement and control system consists of one, for everyone optical lines common frequency-stabilized laser source 11, e.g. one Nd: YAG laser (e.g. with a power of less than 100 mW), an interferometer lens 12, a frequency reference 13 for frequency stabilization of the laser source and a detector 14.
  • a detector 15 is connected downstream of the detector 14 Control of the laser frequency and the piezo actuator 10. Furthermore, the piezo actuator 10 can be controlled independently of the detector 14 by the laser source 11.
  • the laser light from the laser source 11 is via a single-mode, polarization-maintaining Optical fiber cable 16 is routed to the interferometer optics 12, where it is in a polarization beam splitter 17 is divided into two partial beams.
  • One beam 18 is the Detector 14 supplied, the other sub-beam 19 enters the resonator 7 between the Reference elements 5 and 6.
  • the resonators 7 As described, form within the resonators 7 depending on the Resonator length, which is adjustable via the piezo actuator 10, and the laser frequency longitudinal and transverse resonator modes.
  • a small part of the the resonators 7 stored laser power is by the housing side Reference elements 5, e.g. semi-transparent mirror, coupled out of the resonators 7.
  • This decoupled laser beam is in the interferometer optics 12 with the Partial beam 18 is superimposed and generates an interference pattern that is applied to the detector 14 is imaged and detected.
  • a Fabry-Perot resonator 7 As described, self-regulating positioning of the sample mass 2 can be achieved.
  • a change in the laser frequency, a resonator coordination with the piezo actuators 10 or by a relative displacement of the sample mass 2 induces a positional disturbance ⁇ L of the sample mass 2 in the resonators 7.
  • a targeted excitation of the resonator modes by using the resonance increase leads to an increase in the light pressure by a factor of 1000.
  • a restoring force is exerted on the sample mass 2 in the optical sections 8 and 9, which results in a self-centering of the sample mass 2 in the housing 3.
  • Fig. 2 shows the principle of the light pressure-induced position and position.
  • Reference numeral 20 designates the resonator mode with the solid curve a resonance frequency v, which is at a nominal resonator length L in the optical Forms measuring section 8 and the corresponding compensation section 9.
  • the dotted curves 21 and 22 show that in the event of a positional error ⁇ L Test mass 2 forming resonator modes.
  • Reference numeral 21 denotes here the resonator mode in the optical measuring path 8 and reference numeral 22 den Resonator mode in the corresponding compensation path 9.
  • a change in the resonator lengths in the optical links 8 and 9 results from the positional disturbance ⁇ L.
  • ⁇ is intended by operation of the laser frequency on the higher-frequency flank of a longitudinal resonator, the differential pressure of light in the optical paths 8 and 9 is controlled.
  • the light pressures on the sample mass 2 in the optical sections 8 and 9 compensate for the target position and generate suitable restoring forces in the event of longitudinal position disturbances.
  • a desired acceleration of the sample mass can be achieved by tuning the laser frequency, in particular also by operating on the low-frequency flank.
  • FIG 3a shows an alternative device of an inertial sensor 1 according to the invention according to configuration A1 for carrying out position and position measurement by means of laser heterodyne interferometry (V1).
  • V1 laser heterodyne interferometry
  • the device according to the invention consists of a Sample mass 2, a laser source 11, e.g. Nd: YAG laser, per degree of freedom from one Interferometer optics 12 with a downstream optical heterodyne interferometric Measuring section 8 and an associated compensation section 9.
  • the laser light is, as described in FIG. 1, by single-mode, polarization-maintaining Fiber optic cable 16 passed.
  • the interferometer optics 12 are similar to the construction of a conventional Michelson interferometer with a polarization beam splitter 17, a fixed reference mirror 23 as well as the sample mass 2 as a mirror variable in position and position.
  • the On the one hand, interferometer optics 11 have a reference detector 24 connected upstream and on Heterodyne detector 25 downstream.
  • the Position of sample mass 2 and secondly the tilting of the sample mass certainly.
  • the light pressure exerted on the sample mass 2 by the partial beams is compensated by the laser beam in the compensation section 9.
  • the controllable Position angle range is due to the adjustment requirements of the laser interferometer limited.
  • 3b shows an example of a sample mass 2 in the form of a cube 3 optical measuring sections 8 for determining the position and location of the sample mass.
  • the test mass can be on a slowly rotating platform 26 and rotate with it.
  • FIG. 4 shows in a further advantageous application (embodiment A2) of the Inertial sensor 1 according to the invention, which is operated as a common and continuously operated Position reference can be used for several satellites or parts of satellites can. Between the satellites or satellite parts not shown outside the Housing and sample mass 2 are additional laser interferometric measuring sections 27 available.
  • the angle ⁇ between the individual laser interferometric measuring sections 27 can be variable over time.
  • the distance of the satellites can be determined by means of the optical measuring paths 27 within a satellite constellation, which is typically several million kilometerss is determined.
  • the sample mass 2 is located within a housing 3 and can be one rotate any axis or rest inertially.
  • the housing 3 has for the laser interferometric Measuring sections 27 additional openings.
  • the trial mass 2 and the housing 3 are advantageously spherical. It is also one Design of the sample mass 2 is conceivable, in which only the reference surfaces of the optical measuring sections 27 are spherical on the sample mass 2.
  • measuring sections 8 which are also called compensation sections can serve, the degrees of freedom of the sample mass 2 as described independently controlled and controlled.
  • the measurement sections 8 are advantageous at a fixed angle e.g. tetrahedral to sample mass 2 arranged.
  • optical measuring paths 27 and 8 are advantageously on the center of the Sample mass 2 aligned, the alignment of the optical measuring section 8 the optical center of the sample mass 2, as described, by measuring the Excitation of the resonator modes is controlled.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Inertialsensor (1) als Inertialreferenz zur Lage- und Positionsbestimmung von Satelliten oder Satellitenteilen, umfassend eine Probemasse (2), die sich in einem elektrisch und magnetisch im wesentlichen feldfreiem, von einem Gehäuse (3, 4) umschlossenen Raum befindet, zwischen Referenzelementen (5, 6) am Gehäuse (3) und an der Probemasse (2) eingerichtete optische Messstrecken (8, 9) zur Bestimmung von Lage und/oder Position der Probemasse (2) relativ zu den Referenzelementen (5) am Gehäuse (3), eine sich außerhalb des Gehäuses (3, 4) befindliche Meßanordnung (11, 12, 13, 14, 15) für die optischen Messstrecken (8, 9). Gemäß der Erfindung sind die optischen Messstrecken (8, 9) als optische interferometrische Messstrecken ausgeführt, und die Lage und Position der Probemasse (2) ist mittels der in den optischen interferometrischen Messstrecken (8, 9) auf die Probemasse (2) ausgeübten Lichtdrucke einstellbar. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft einen Inertialsensor als Inertialreferenz zur Lage- und Positionsbestimmung von Satelliten und Satellitenteilen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Eine neue Generation wissenschaftlicher Weltraummissionen insbesondere basierend auf hochauflösenden optischen Instrumenten erfordert eine sehr genaue Kenntnis der Restbeschleunigung, der relativen Positionen und Lage sowie Lageschwankungen von Satelliten und Satellitenteilen. Die damit verbundenen Freiheitsgrade werden durch innere (z.B. Schwerpunktverlagerung oder Trägheitsmomentänderung ) und äußere Störeinflüsse (z.B. Sonnenwind oder Restmagnetfelder) in nicht zu vernachlässigender Größenordnung beeinflußt. Auf europäischer Ebene sind hierzu relevante Missionen GAIA, IRSI, LISA, DIVA, GOCE und STEP.
Bisher werden zur Bestimmung der Restbeschleunigung von Satelliten und Satellitenteile Beschleunigungssensoren, welche über eine weiche Kopplung mit einer Probemasse verbunden sind, eingesetzt. Zur Lage- und Positionsbestimmung kommen vorwiegend hochauflösende optische Sternsensoren in Form von z.B. CCD-Kameras zum Einsatz (z.B. Hubble-Teleskop).
Inertialsensoren sind bisher lediglich als inertiale Positionsreferenz im Einsatz. Zur Bestimmung der Position von Satelliten oder Satellitenteilen wird die Position einer Probemasse relativ zu ihrer Satellitenumgebung gemessen. Die Position der Probemasse wird üblicherweise kapazitiv bestimmt und mittels elektrischer Feldern kontrolliert. Hierzu wird die im allgemeinen metallische Probemasse elektrostatisch aufgeladen. Die elektrostatische Aufladung sowie die induzierten Ladungspolaristionen verursachen Kräfte und Momente (z.B. Lorentzkraft durch Bewegung in einem äußeren Magnetfeld oder elektrische Dipolmomente), die die inertiale Bewegung der Probemasse stören. Durch elektrische Streufelder (parasitäre Kapazitäten) kommt es, insbesondere bei großen Abständen (im Bereich von einigen Millimetern) zwischen der Probemasse und den Referenzflächen (Elektroden), zu einem nichtlinearem Verhalten der Abstandsmessung. Zur Minimierung der direkten Wirkung des Magnetfeldes auf die Probemasse wird für die Probemasse ein Material niedriger Suszeptibilität gewählt. Eine weitere Maßnahme zur Abschirmung von Magnetfeldern ist der Einsatz von µ-Metallen, die zwar eine hohe magnetische Permeabilität besitzen, allerdings durch Starterschütterungen des Satelliten in ihrer Wirkung stark beeinträchtigt werden.
In US 4,1740,904 wird ein Inertialsensor beschrieben, bei dem sich eine Probemasse in einem geschlossenen Gehäuse befindet. Das Gehäuse schirmt die Probemasse von störenden äußeren Einflüssen (z.B. Strahlungsdruck der Sonne, elektrostatische Felder) ab. Die Probemasse wird zur Lage- und Positionsregelung einem mittels Spulen erzeugten, kontrollierbarem Magnetfeld ausgesetzt.
DE 199 21 390 A1 beschreibt ein Positionierungssystem für eine Meßeinrichtung eines Satelliten. Dabei wird die gesamte Meßeinrichtung einschließlich der Elektronik oder zumindest Teile davon, von dem die Meßeinrichtung umgebenden Satelliten entkoppelt. Somit ist es möglich, die Meßeinrichtung von externen Störungen zu entkoppeln. Als nachteilig erweist sich allerdings der große bauliche Aufwand.
In EP 0 569 994 A2 wird ein Inertialsensor beschrieben, in dem sich eine Probemasse in einem elektrisch und magnetisch feldfreiem, von einem Gehäuse umschlossenen Raum befindet. Zur Bestimmung von Lage und Position der Probemasse sind optische Messstrecken vorhanden. Die Einstellung der Lage und Position der Probemasse erfolgt mittels nieder- oder hochfrequenter Schallwellen, die aus einem Wellenprojektor emittiert werden. Diese Schallwellen sind der Bewegung der Probemasse entgegen gerichtet. Der Nachteil dieser Anordnung ist der kostenintensive Aufbau sowie die ungenaue Messung von Lage und Position der Probemasse.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Inertialsensors zu schaffen, mit dem eine verbesserte und gegenüber äußeren Störeinflüssen unempfindliche sowie hochgenaue Lage- und Positionsbestimmung von Satelliten und Satellitenteilen möglich ist.
Diese Aufgabe wird mit dem Inertialsensor in Anspruch 1 gelöst. Besondere Ausführungsformen des Inertialsensors sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß sind die optischen Messstrecken als optische interferometrische Messstrecken ausgebildet, wobei mittels der in den optischen interferometrischen Messstrecken auf die Probemasse ausgeübten Lichtdrucke die Lage und Position der Probemasse einstellbar ist.
Die Probemasse kann einerseits in dem Gehäuse inertial frei schweben und dabei idealerweise nur der Gravitationswechselwirkung unterliegen oder gleichförmig mit dem Gehäuse um eine gemeinsame Achse mit einer gleichen nominalen Winkelgeschwindigkeit rotieren.
Um innerhalb des Gehäuses auftretende Strahlungsgradienten, die zu Beschleunigungen im Bereich von 10-15 - 10-13 m/s2 führen können, zu verhindern, wird das die Probemasse umschließende Gehäuse in einer vorteilhaften Ausführung thermisch als schwarzer Körper ausgebildet (z.B. durch Isolation). Somit wird eventuelles, durch die optischen Messstrecken ins Gehäuse eingebrachtes Streulicht gleichmäßig thermalisiert (Ulbricht-Kugel).
Das Gehäuse sollte mechanisch stabilisiert sein, da es die Referenzelemente enthält, und z.B. aus einer Glaskeramik (Zerodur® oder ULE® ) bestehen. Zusätzlich kann das Gehäuse gegen Restmagnetfelder abgeschirmt sein.
An der inneren Oberfläche des Gehäuses befinden sich die gehäuseseitigen Referenzelemente zur relativen Lage- und Positionsbestimmung der Probemasse. Zusätzlich kann die innere Oberfläche des Gehäuses mit einer leitfähigen Beschichtung (z.B. Goldbeschichtung) belegt werden, um elektrostatische Felder zu eliminieren. Ferner kann das Gehäuse evakuiert oder mit Gas gefüllt sein.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung kann die Oberfläche der Probemasse als Reflektor ausgebildet sein, indem die Oberfläche z.B. verspiegelt ausgeführt ist. In einer besonders vorteilhaften Ausführung können auf die Oberfläche der Probemasse optische Reflektorelemente, z.B. Spiegel, aufgebracht sein. Diese Reflektorelemente können hierbei planar oder sphärisch zentriert ausgestaltet sein. Die Oberfläche der Probemasse oder die auf die Oberfläche aufgebrachten Reflektorelemente bilden einen Endspiegel einer der optischen interferometrischen Messstrecken.
Die Probemasse ist vorteilhaft symmetrisch ausgebildet und kann in ihrer Form z.B. würfel-, quader-, tetraeder-, scheiben- oder kugelförmig gewählt sein. Die Form richtet sich nach den Forderungen zur Kompaktheit (Minimierung der Reststörelemente) sowie nach den gewünschten Trägheitsmomenten in den Rotationsachsen.
Insbesondere ist die Form der Probemasse unabhängig von der gewählten optischen Anordnung zur Lage- und Positionsbestimmung. Das Material der Probemasse wird hinsichtlich der Minimierung der Störeinflüsse bestimmt. Hierbei sind wesentliche Eigenschaften für die Materialwahl:
  • eine minimale magnetische Suszeptibilität,
  • eine hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit,
  • eine hohe Dichte und
  • ein geringer thermischer Ausdehungskoeffizient.
Die Bestimmung von Lage- und Position der Probemasse entlang der gewünschten Freiheitsgrade und relativ zu den Referenzelementen am Gehäuse erfolgt durch an sich bekannte lasermetrologische Verfahren. Geeignete Verfahren sind in der Literatur beschrieben ([1], [2], [3], [4]). Im Einzelnen können insbesondere folgende Messverfahren eingesetzt werden:
  • die Heterodyninterferometrie im folgenden auch mit V1 bezeichnet,
  • die klassische Interferometrie mit einem Michelsoninterferometer (V2) und
  • der Einsatz eines optischen Resonators (Fabry-Perot) mit einer Überwachung der Resonatormoden mittels Heterodynverfahren (V3).
Mit den lasermetrologischen Verfahren sind relative Abstandmessungen mit Genauigkeiten um 10 pm in Raten von ca. 1 s möglich. Die Genauigkeit der Winkelmessungen liegt unter 0.1 nrad.
Bei der Messung wird durch die auf die Probemasse ausgerichteten optischen interferometrischen Messstrecken ein Lichtdruck in der Größenordnung von 0,0035 µN/W auf die Probemasse ausgeübt. In einer besonders vorteilhaften Ausführung sind diese optischen Messstrecken derart zueinander ausgerichtet, dass sich die durch die einzelnen optischen Messstrecken auf die Probemasse ausgeübten Lichtdrucke gegenseitig kompensieren. Die optischen Messstrecken sind dabei vorteilhaft auf das Massezentrum und das geometrische Zentrum der Probemasse ausgerichtet.
In einer bevorzugten Ausführung kann durch Variation des Lichtdrucks in den einzelnen optischen Messstrecken Position und Lage der Probemasse eingestellt werden.
Durch geeignete Anpassung des Resonators in einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens V3 kann Position und Lage der Probemasse fein gesteuert werden. Die Feinjustierung der Probemasse erfolgt durch gezielte Anregung der sich in den Resonatoren ausbildenden longitudinalen und transversalen Resonatormoden unter Ausnutzung der Resonanzüberhöhung, die zu gesteigerten Lichtdruckwerten bei geringerer Laserlichtleistung (wenige mW) führt. Die Messung der Resonatormoden erlaubt darüber hinaus die genaue Bestimmung von Lage und Position der Probemasse. Als vorteilhaft erweist sich zudem die hohe Trennschärfe der Resonatormoden sowie die hohe Güte der Resonatoren.
Eine vorteilhafte Ausrichtung der optischen interferometrischen Messstrecken sowie vorteilhafte Wahl der Laserarbeitsfrequenzen an einer Flanke eines Resonatormodes ermöglicht in Verfahren V3 eine inhärente Selbstzentrierung der Probemasse durch die sich automatisch einstellende Variation des Lichtdrucks in den Resonatormoden.
Die Vorteile von lasermetrologischen Verfahren gegenüber kapazitiven Meßeinrichtungen sind:
  • die Eliminierung der Störeinflüsse elektrischer Felder, wodurch eine bessere Entkopplung vom Satellitenkörper ermöglicht wird,
  • eine hohe Auflösung bis in den Pikometer-Bereich,
  • eine ausgedehnten linearen Kennlinie um den Arbeitspunkt,
  • die Bestimmung von Lage und Position der Probemasse in bis zu 6 Freiheitsgraden,
  • dass der Abstand zwischen Probemasse und Gehäuse (Referenzelementen) in einem weiten Bereich (µm bis m) gewählt werden kann.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend anhand von Zeichnungen, die den prinzipiellen Aufau des erfindungsgemäßen optischen Inertialsensors in einer Ausführung A1 und einer Ausführung A2 zeigen, näher beschrieben. Die Ausführungen werden wie folgt beschrieben :
A1:
erfindungsgemäßer Inertialsensor als Positions- und Rotationsreferenz für einen inertial ruhenden oder langsam rotierenden Satelliten.
A2:
erfindungsgemäßer Inertialsensor als gemeinsame Positionsreferenz zweier oder mehrerer, unter variablen Winkel sich befindlicher optischer interferometrischer Messstrecken.
Die Zeichnung zeigen in:
Fig. 1 :
eine erfindungsgemäße Vorrichtung nach Ausführung A1 für die Durchführung eines Messverfahrens nach V3.
Fig. 2 :
das Prinzip der Position- und Lageregelung mittels Lichtdruck nach Messverfahren V3.
Fig. 3a:
eine erfindungsgemäße Vorrichtung nach Ausführung A1 für die Durchführung eines Messverfahrens nach V1.
Fig. 3b :
die auf die Probemasse ausgerichteten optischen Messstrecken gemäß Fig. 3a.
Fig. 4 :
eine erfindungsgemäße Vorrichtung nach Ausführung A2 für die Durchführung eines Messverfahrens nach V3.
Mit den erfindungsgemäßen Vorrichtungen ist es möglich, Lage und Position der Probemasse in bis zu 6 Freiheitsgraden zu bestimmen.
Fig. 1 zeigt die funktionalen Baugruppen des erfindungsgemäßen optischen Inertialsensors 1 nach Ausführung A1. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind lediglich die funktionalen Gruppen zur Bestimmung eines Freiheitsgrades dargestellt. Bei dem dargestellten Messverfahren handelt es sich beispielhaft um das Verfahren V3 eines optischen Fabry-Perot Resonators mit einer laserinterferometrischen Mess- und Regelanordnung gemäß dem Heterodynverfahren.
Die beispielhaft würfelförmig ausgeführte Probemasse 2 ist von einem Gehäuse 3 umgeben, auf welchem eine Abschirmung 4, z.B. µ-Metall, aufgebracht ist, wodurch elektromagnetischen Felder abgeschirmt werden. An der inneren Oberfläche des Gehäuses 3 sowie auf der Oberfläche der Probemasse 2 befinden sich Referenzelemente 5 und 6, z.B. Spiegel, die die einzelnen Fabry-Perot Resonatoren 7 bilden. Die Resonatoren 7 dienen zum einen als optische Messstrecken 8 und zum anderen als Kompensationsstrecken 9 zum Ausgleich des auf die Probemasse 2 ausgeübten Lichtdrucks. An den gehäuseseitigen Referenzelementen 5 befinden sich zusätzlich Piezosteller oder elektro-optische Elemente 10 zur Abstimmung der Resonatoren 7.
Die laserinterferometrische Mess- und Regelanordnung besteht aus einer, für alle optischen Strecken gemeinsamen frequenzstabilisierten Laserquelle 11, z.B. einem Nd:YAG-Laser (z.B. mit einer Leistung von weniger als 100 mW), einer Interferometeroptik 12, einer Frequenzreferenz 13 zur Frequenzstabilisierung der Laserquelle sowie einem Detektor 14. Dem Detektor 14 nachgeschaltet ist ein Kontroller 15 zur Steuerung der Laserfrequenz und der Piezosteller 10. Ferner können die Piezosteller 10 unabhängig vom Detektor 14 von der Laserquelle 11 gesteuert werden.
Das Laserlicht der Laserquelle 11 wird über ein einmodiges, polarisationserhaltendes Glasfaserkabel 16 zu der Interferometeroptik 12 geleitet, wo es in einem Polarisationsstrahlteiler 17 in zwei Teilstrahlen aufgeteilt wird. Der eine Teilstrahl 18 wird dem Detektor 14 zugeführt, der andere Teilstrahl 19 tritt in den Resonator 7 zwischen den Referenzelementen 5 und 6 ein.
Wie beschrieben bilden sich innerhalb der Resonatoren 7 in Abhängigkeit der Resonatorlänge, welche über die Piezosteller 10 einstellbar ist, und der Laserfrequenz longitudinale und transversale Resonatormoden aus. Ein geringer Teil der in den Resonatoren 7 gespeicherten Laserleistung wird durch die gehäuseseitigen Referenzelemente 5, z.B. teildurchlässige Spiegel, aus den Resonatoren 7 ausgekoppelt. Dieser ausgekoppelte Laserstrahl wird in der Interferometeroptik 12 mit dem Teilstrahl 18 überlagert und erzeugt dabei ein Interferenzmuster, das auf den Detektor 14 abgebildet und detektiert wird.
Mit einem Fabry-Perot-Resonator 7 läßt sich, wie beschrieben, eine selbstregulierende Positionierung der Probemasse 2 erzielen. Mittels einer Änderung der Laserfrequenz, einer Resonatorabstimmung mit den Piezostellern 10 oder durch eine relative Verschiebung der Probemasse 2 wird in den Resonatoren 7 eine Positionsstörung ΔL der Probemasse 2 induziert. Dadurch wird der differentielle Lichtdruck in den einzelnen Resonatormoden verändert.
Eine gezielte Anregung der Resonatormoden unter Ausnutzung der Resonanzüberhöhung führt zu einer Steigerung des Lichtdrucks um den Faktor 1000. Somit wird in den optischen Strecken 8 und 9 eine Rückstellkraft auf die Probemasse 2 ausgeübt, wodurch sich eine Selbstzentrierung der Probemasse 2 im Gehäuse 3 ergibt. Fig. 2 zeigt das Prinzip der lichtdruckinduzierten Position- und Lagestellung.
In Fig. 2 ist der Lichtdruck im Resonator 7 gegenüber der Laserfrequenz aufgetragen. Bezugsziffer 20 bezeichnet mit der durchgezogenen Kurve den Resonatormode bei einer Resonanzfrequenz v, der sich bei einer Sollresonatorlänge L in der optischen Messstrecke 8 und der entsprechenden Kompensationsstrecke 9 ausbildet.
Die gepunkteten Kurven 21 und 22 zeigen die sich bei einer Positionsstörung ΔL der Probemasse 2 ausbildenden Resonatormoden. Hierbei bezeichnet Bezugsziffer 21 den Resonatormode in der optischen Messstrecke 8 und Bezugsziffer 22 den Resonatormode in der entsprechenden Kompensationsstrecke 9.
Aus der Positionsstörung ΔL resultiert eine Veränderung der Resonatorlängen in den optischen Strecken 8 und 9. In Fig. 2 bedeutet dies eine Verlängerung L+ der optischen Strecke 8 und eine Verkürzung L- der optischen Strecke 9, wobei sich die Abweichung Δν der Resonanzfrequenz in den optischen Strecken 8 und 9 gemäß der Formel
Figure 00090001
berechnet.
Durch Betrieb der Laserfrequenz νsoll auf der höherfrequenten Flanke eines longitudinalen Resonatormodes wird der differentielle Lichtdruck in den optischen Strecken 8 und 9 gesteuert. In Fig. 2 bedeutet dies eine Erhöhung D+ des differentiellen Lichtdrucks auf die Probemasse 2 in der optischen Strecke 9 und eine Erniedrigung D-des differentiellen Lichtdrucks in der optischen Strecke 8, so dass sich eine der Störung entgegenwirkende Rückstellkraft ergibt.
Durch geeignete Wahl und Fixierung der Laserfrequenz kompensieren sich die Lichtdrucke auf die Probemasse 2 in den optischen Strecken 8 und 9 bei der Sollposition und erzeugen geeignete Rückstellkräfte bei longitudinalen Positionsstörungen. Umgekehrt kann durch Abstimmung der Laserfrequenz, insbesondere auch durch Betrieb auf der niederfrequenten Flanke eine gewünschte Beschleunigung der Probemasse erreicht werden.
Fig. 3a zeigt eine alternative Vorrichtung eines erfindungsgemäßen Inertialsensors 1 nach Ausgestaltung A1 zur Durchführung von Positions- und Lagemessung mittels der Laserheterodyninterferometrie (V1). Die Darstellung zeigt aus Gründen der Übersichtlichkeit die funktionalen Gruppen für die Positions- und Lagemessung in je einem Freiheitsgrad.
Ähnlich dem Aufbau in Fig. 1 besteht die erfindungsgemäße Vorrichtung aus einer Probemasse 2, einer Laserquelle 11, z.B. Nd:YAG-Laser, je Freiheitsgrad aus einer Interferometeroptik 12 mit einer nachgeschalteten optischen heterodyninterferometrischen Messstrecke 8 sowie einer zugehörigen Kompensationsstrecke 9. Das Laserlicht wird wie in Fig. 1 beschrieben durch einmodige, polarisationserhaltende Glasfaserkabel 16 geleitet.
Die Interferometeroptik 12 ähnelt dem Aufbau eines herkömmlichen Michelsoninterferometers mit einem Polarisationsstrahlteiler 17, einem festen Referenzspiegel 23 sowie der Probemasse 2 als ein in Position und Lage veränderlicher Spiegel. Der Interferometeroptik 11 ist zum einen ein Referenzdetektor 24 vorgeschaltet und ein Heterodyndetektor 25 nachgeschaltet.
In der optischen Messstrecke 8 wird durch mindestens 3 Teilstrahlen zum einen die Position der Probemasse 2 und zum anderen die Verkippung der Probemasse bestimmt. Der durch die Teilstrahlen auf die Probemasse 2 ausgeübte Lichtdruck wird durch den Laserstrahl in der Kompensationsstrecke 9 kompensiert. Der regelbare Lagewinkelbereich ist dabei durch die Justieranforderungen des Laserinterferometers limitiert.
Fig. 3b zeigt eine beispielhaft würfelförmig ausgeführte Probemasse 2 mit beispielhaft 3 optischen Messstrecken 8 zur Bestimmung von Position und Lage der Probemasse. Mit den 3 optischen Messstrecken 8 ist ferner eine genaue Bestimmung zweier Winkel, um den die Probemasse aus der Ausgangslage gekippt ist, möglich. Die Probemasse kann sich hierbei auf einer sich langsam rotierenden Plattform 26 befinden und mit dieser rotieren.
Fig. 4 zeigt in einer weiteren vorteilhaften Anwendung (Ausgestaltung A2) des erfindungsgemäßen Inertialsensors 1, die als gemeinsame und kontinuierlich betriebene Positionsreferenz für mehrere Satelliten oder Satellitenteile eingesetzt werden kann. Zwischen den nicht dargestellten Satelliten oder Satellitenteilen außerhalb des Gehäuses und der Probemasse 2 sind zusätzliche laserinterferometrische Messstrecken 27 vorhanden.
Der Winkel α zwischen den einzelnen laserinterferometrischen Messstrecken 27 kann zeitlich variabel sein.
Zusätzlich kann mittels der optischen Messstrecken 27 der Abstand der Satelliten innerhalb einer Satellitenkonstellation, welcher typischerweise mehrere Millionen Kilometer beträgt, bestimmt werden.
Hierdurch ergibt sich der Vorteil einer vollständigen Trennung von Inertialreferenz und Laserinterferometern in Satellitenkonstellationen.
Im übrigen entspricht das Prinzip dieser Ausführung dem in Fig. 1 beschriebenen. Die Probemasse 2 befindet sich innerhalb eines Gehäuses 3 und kann dabei um eine beliebige Achse rotieren oder inertial ruhen. Das Gehäuse 3 weist für die laserinterferometrischen Messstrecken 27 zusätzliche Durchbrechungen auf. Die Probemasse 2 und das Gehäuse 3 sind vorteilhaft kugelförmig ausgeführt. Es ist auch eine Ausgestaltung der Probemasse 2 denkbar, bei der lediglich die Referenzflächen der optischen Messstrecken 27 auf der Probemasse 2 kugelförmig ausgeführt sind.
Mittels der, zwischen Probemasse 2 und Gehäuse 3 gemäß dem lasermetrologischen Verfahren V3 ausgeführten Messstrecken 8, die auch als Kompensationsstrecken dienen können, werden die Positionsfreiheitsgrade der Probemasse 2 wie beschrieben unabhängig voneinander kontrolliert und gesteuert. Die Messstrecken 8 sind vorteilhaft unter einem fixen Winkel z.B. tetraederförmig zur Probemasse 2 angeordnet.
Die optischen Messstrecken 27 und 8 werden vorteilhaft auf das Zentrum der Probemasse 2 ausgerichtet, wobei die Ausrichtung der optischen Messstrecke 8 auf das optische Zentrum der Probemasse 2, wie beschrieben, durch Messung der Anregung der Resonatormoden kontrolliert wird.
In der Beschreibung zitierter Stand der Technik
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    • Bezugszeichenliste
    1
    Inertialsensor
    2
    Probemasse
    3
    Gehäuse
    4
    Abschirmung auf dem Gehäuse angebracht
    5
    Referenzelement am Gehäuse
    6
    Referenzelement an Probemasse
    7
    Resonator
    8
    optische Messstrecke
    9
    optische Kompensationsstrecke
    10
    Piezosteller
    11
    Laserquelle
    12
    Interferometeroptik
    13
    Frequenzreferenz
    14
    Detektor
    15
    Kontroller
    16
    Glasfaserkabel
    17
    Polarisationsstrahlteiler
    18
    Teilstrahl
    19
    Teilstrahl
    20
    Resonatormode bei Resonanzfrequenz
    21
    Resonatormode in optischer Messstrecke 7
    22
    Resonatormode in optischer Kompensationsstrecke 8
    23
    Referenzspiegel
    24
    Referenzdetektor
    25
    Heterodyndetektor
    26
    Plattform
    27
    laserinterferometrische Messstrecken
    D+
    Erhöhung des differentiellen Lichtdrucks
    D-
    Erniedrigung des differentiellen Lichtdrucks
    L+
    Verlängerung der optischen Strecke
    L-
    Verkürzung der optischen Strecke
    ν
    Resonanzfrequenz
    νsoll
    Soll-Laserfrequenz
    α
    variabler Winkel

    Claims (24)

    1. Inertialsensor (1) als Inertialreferenz zur Lage- und Positionsbestimmung von Satelliten oder Satellitenteilen, umfassend
      eine Probemasse (2), die sich in einem elektrisch und magnetisch im wesentlichen feldfreiem, von einem Gehäuse (3, 4) umschlossenen Raum befindet,
      zwischen Referenzelementen (5, 6) am Gehäuse (3) und an der Probemasse (2) eingerichtete optische Messstrecken (8, 9) zur Bestimmung von Lage und/oder Position der Probemasse (2) relativ zu den Referenzelementen (5) am Gehäuse (3),
      eine sich außerhalb des Gehäuses (3, 4) befindliche Meßanordnung (11, 12, 13, 14, 15) für die optischen Messstrecken (8, 9),
      dadurch gekennzeichnet, dass die optische Messstrecken (8, 9) als optische interferometrische Messstrecken ausgeführt sind, und dass mittels der in den optischen interferometrischen Messstrecken (8, 9) auf die Probemasse (2) ausgeübten Lichtdrucke die Lage und Position der Probemasse (2) einstellbar ist.
    2. Inertialsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Probemasse (2) inertial frei schwebt.
    3. Inertialsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Probemasse (2) mit dem Gehäuse (3) um eine gemeinsame Achse mit gleicher nominaler Winkelgeschwindigkeit rotiert.
    4. Inertialsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (3) im wesentlichen ein schwarzer Körper ist.
    5. Inertialsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen Probemasse (2) und Gehäuse (3) bis zu einigen Meter betragen kann.
    6. Inertialsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Probemasse (2) als Reflektor ausgebildet ist oder dass auf der Oberfläche der Probemasse (2) im Bereich der Referenzelemente (5) sphärische zentrierte optische Reflektorelemente, z.B., Spiegel, aufgebracht sind.
    7. Inertialsensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Probemasse (2) oder die optischen Reflektorelemente einen Endspiegel einer der optischen interferometrischen Messstrecken (8, 9) bilden.
    8. Inertialsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen interferometrischen Messstrecken (8, 9) derart zueinander angeordnet sind, dass die in den einzelnen Messstrecken (8, 9) auf die Probemasse (2) ausgeübten Lichtdrucke gegenseitig kompensiert werden.
    9. Inertialsensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Achsen der optischen interferometrischen Messstrecken (8, 9) auf das Massezentrum und das geometrische Zentrum der Probemasse (2) ausgerichtet sind.
    10. Inertialsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch Variation des Lichtdrucks in den optischen interferometrischen Messstrecken (8, 9) Position und/oder Lage der Probemasse (2) einstellbar ist.
    11. Inertialsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen interferometrischen Messstrecken (8, 9) ein Zweig eines Heterodyninterferometers sind.
    12. Inertialsensor nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Messstrecken (8, 9) ein Zweig einer Michelsoninterferometeranordnung sind.
    13. Inertialsensor nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Messstrecken (8, 9) passive optische Resonatoren (7) sind.
    14. Inertialsensor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass in den optischen Resonatoren (7) longitudinale und transversale Resonatormoden einstellbar sind und dass mit deren Messung Position und/oder Lage der Probemasse (2) bestimmbar sind.
    15. Inertialsensor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtdruck in den einzelnen Moden durch Resonatorabstimmung mittels der in den optischen Messstrecken (8, 9) angeordneten Piezo (10) oder elektro-optische Elemente variiert werden kann.
    16. Inertialsensor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtdruck in den einzelnen Moden durch Variation der Laserfrequenz verändert werden kann.
    17. Inertialsensor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtdruck in den einzelnen Moden durch eine gezielte Anregung der longitudinalen und transversalen Resonatormoden unter Ausnutzung der Resonanzüberhöhung verändert werden kann.
    18. Inertialsensor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtdruck in den einzelnen Moden durch eine relative Verschiebung oder Verkippung der Probemasse (2) verändert werden kann.
    19. Inertialsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen interferometrischen Messstrecken (8, 9) derart verschaltet sind, dass sich innerhalb der optischen Messstrecken (8, 9) eine Selbstzentrierung der Probemasse (2) aufgrund der Variation des Lichtdrucks ergibt.
    20. Inertialsensor nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Selbstzentrierung durch Betrieb der Laserfrequenz auf der höherfrequenten Flanke eines longitudinalen Resonatormodes ergibt.
    21. Inertialsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Position und/oder Lage der Probemasse (2) in bis zu 6 Freiheitsgraden bestimmbar sind.
    22. Inertialsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei weitere optische Messstrecken (27) zwischen der Probemasse (2) und je einem Punkt außerhalb des Gehäuses (3, 4) eingerichtet sind und dass diese optischen Messstrecken (27) dabei auf das optische Zentrum sowie Massezentrum der Probemasse (2) ausgerichtet sind.
    23. Inertialsensor nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (α) zwischen den optischen Messstrecken (27) variierbar ist.
    24. Inertialsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Probemasse (2) ganz oder teilweise kugelförmig ist.
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